计算机网络（1）- TCP

TCP的全称是传输控制协议（Transmission Control Protocol）[RFC 793]
TCP提供面向连接的服务。在传送数据之前必须先建立连接，数据传送结束后要释放连接。TCP不提供广播或多播服务。由于TCP要提供可靠的、面向连接的服务，因此不可避免地增加了许多的开销，如确认、流量控制、计时器以及连接管理等。这不仅使协议数据单元的首部增大很多，还要占用许多的处理机资源。
TCP最主要的特点：

TCP是面向连接的传输层协议。即应用程序在使用TCP协议之前，必须先建立TCP连接。在传送数据完毕后，必须释放已经建立的TCP连接。
每一条TCP连接只能有两个端点，每一条TCP连接只能是点对点的。
TCP提供可靠交付的服务。通过TCP连接传送的数据，无差错、不丢失、不重复并且按序到达。
TCP提供全双工通信。TCP允许通信双方的应用进程在任何时候都能发送数据。TCP连接的两端都设有发送缓存和接收缓存，用来临时存放双向通信的数据。在发送时，应用程序在吧数据传送给TCP的缓存后，就可以做自己的事，而TCP在合适的时候把数据发送出去。在接收时，TCP把收到的数据放入缓存，上层的应用进程在合适的时候读取缓存中的数据。
面向字节流。TCP中的“流(stream)”指的是流入到进程或从进程流出的字节序列。“面向字节流”的含义是，虽然应用程序和TCP的交互式是一次一个数据块（大小不等），但TCP把应用程序交下来的数据仅仅看成是一连串无结构的字节流。TCP并不知道所传送的字节流的含义。

4.TCP的连接

　　TCP把连接作为最基本的抽象。TCP连接的端点叫做套接字或插口。

　　每一条TCP连接唯一地被通信两端的两个端点（即两个套接字）所确定。即：

TCP连接 ::= {socket1,socket2} = {(IP1:port1),(IP2:port2)}

　　5.TCP报文段的首部格式

　　TCP虽然是面向字节流的，但TCP传送的数据单元却是报文段。一个TCP报文段分为首部和数据两部分，而TCP的全部功能都体现在它首部中各字段的作用。

　　TCP报文段首部的前20个字节是固定的，后面有4n字节是根据需要而增加的选项。因此TCP首部的最小长度是20字节。

　　计算机网络（1）- TCP

　　6.TCP的运输连接管理

　　（1）TCP的连接建立

　　　　假设主机A运行的TCP客户程序，而B运行的是TCP服务器程序。最初两端的TCP进程都处于CLOSED（关闭）状态。A主动打开连接，而B被动打开连接。

　　　　连接过程：

　　　　　　初始状态：B的TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，准备接受客户进程的连接请求。然后服务器进程就处于LISTEN（收听）状态，等待客户的连接请求。如有，即作出响应

在打算建立TCP连接时，向B发出连接请求报文段，这是首部中的同步位SYN = 1，同时选择一个初始序号seq = x。这时TCP客户进程进入SYN-SENT（同步已发送）状态。
B收到连接请求报文段后，如同意建立连接，则向A发送确认。在确认报文段中应把SYN位和ACK位都置1，确认号是ack=x+1，同时也为自己选择一个初始序号seq=y。这是TCP服务器进程进入SYN-RCVD（同步收到）状态。
TCP客户进程收到B的确认后，还要向B给出确认。确认报文段的ACK置1，确认号ack=y+1，而自己的序号seq=x+1。这时，TCP连接已经建立，A进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。

　　　　　　连接建立后的状态：当B收到A的确认后也进入ESTABLISHED（已建立连接）状态。

　　　　计算机网络（1）- TCP

　　　　问题1：为什么A最后还要发送一次确认呢？

　　　　　　是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了B，因而产生错误。

　　　　　　解释：假设A发出连接请求，但因连接请求报文丢失而未收到确认。于是，A再重传一次连接请求。后来收到了确认，建立了连接。数据传输完毕后，就释放了连接。A共发送了两个连接　　　　　　　　请求报文段，其中第一个丢失，第二个到达了B，此时没有“已失效的连接请求报文段”。假设A发出的第一个连接请求报文段并没有丢失，而是在某些网络结点长时间滞留了，以致延　　　　　　　　误到连接释放之后的某个时间才到达B。本来这是一个早已失效的报文段，但B收到此失效的连接请求报文段后，就误以为是A又发出一次新的连接请求。于是就向A发出确认报文　　　　　　　　　段，同意建立连接。假如不采用三次握手，即没有最后一次连接确认，那么只要B向A发出同意连接请求，新的连接就建立了。然而由于此时A并没有发出建立连接的请求，因此不会　　　　　　　　理睬B的确认，也不会向B发送数据。但B却以为新的运输连接已经建立了，并一直等待A发来的数据。B的许多资源就这样白白浪费了。

　　（2）TCP的连接释放

　　　　计算机网络（1）- TCP

　　TCP连接释放的过程：

　　　　初始过程：数据传输结束后，通信的双方都可释放连接。现在A和B都处于ESTABLISHED状态。A的应用进程现象器TCP发出连接释放报文段，并停止发送数据，主动关闭TCP连接。

A把连接释放报文段首部的终止控制位FIN=1，其序号seq=u，u等于前面A已传送过的数据的最后一个字节的序号加1。这是A进入FIN-WAIT1（终止等待1）状态，等待B的确认。
B收到连接释放报文段后即发出确认，确认号是ack=u+1，其序号seq=v，v等于B前面已传送过的数据的最后一个字节的序号加1。然后B进入CLOSE-WAIT（关闭等待）状态。TCP服务器进程这时应通知高层应用进程，因而从A到B这个方向的连接就释放了，这时的TCP连接处于半关闭状态，即A已经没有数据要发送了，但B若发送数据，A仍要接收，也就是说，从B到A这个方向的连接并未变比，这个状态可能会持续一段时间。A收到来自B的确认后，就进入FIN-WAIT-2（终止等待-2状态），等待B发出的连接释放报文段。
若B已经没有要向A发送的数据了，其应用进程就通知TCP释放连接。这时B发出的连接释放报文段必须使FIN=1。先假定B的序号为w（在半关闭状态B可能又发送了一些数据）。B还必须重复上次已发送过的确认号ack = u + 1.这时B就进入LAST-ACK（最后确认）状态，等待A确认。
A在收到B的连接释放报文段后，必须对此发出确认。在确认报文段中把ACK = 1，确认号ack = w + 1，而自己的序号是seq = u + 1。然后进入到TIME-WAIT（时间等待状态），必须经过时间等待计时器设置的时间2MSL（MSL叫做最长报文段寿命）后，A才进入到CLOSED状态。

　　　　连接释放后的状态：B收到A的报文后也进入到CLOSED状态。

　　问题1：为什么A在TIME-WAIT状态必须等待2MSL的时间呢？

　　　　保证A发送的最后一个ACK报文段能够到达B。

　　　　防止已失效的连接请求报文段出现在连接中。

　　解释：

　　　　第一，为了保证A发送的最后一个ACK报文段能够到达B。这个ACK报文段有可能丢失，因为使处在LAST-ACK状态的B收不到对已发送的FIN + ACK报文段的确认。B会超时重传这个FIN + 　　ACK报文段，而A就能在2MSL时间内收到这个重传的FIN + ACK报文段。接着A重传一次确认，重新启动2MSL计时器。最后，A和B都正常进入到CLOSED状态。如果A在TIME-WAIT状态不等待　　一段时间，而是在发送完ACK报文段后立即释放连接，那么就无法收到B重传的FIN + ACK报文段，因为也不会再发送一次确认报文段。这样，B就无法按照正常步骤进入CLOSED状态。

　　　　第二，防止“已失效的连接请求报文段”　出现在本连接中。A在发送完最后一个ACK报文段后，再经过2MSL，就可以使本连接持续的时间内所产生的所有报文段都从网络中消失，这样就可　　以使下一个新的连接中不会出现这种旧的连接请求报文段。　

　　7.使用tcpdump分析tcp连接过程

　　场景：同一个局域网下，192.168.131.138上运行着apache2服务器（默认端口为80），同时apache2服务器上有大小为64KB的文件，名称为file64KB。

　　　　　　　　　　　　 192.168.132.132上使用脚本，不停地运行wget http://192.168.131.138/file64KB去不停地下载192.168.131.138上的文件。

　　　　　　　　　　　　　在192.168.131.132上运行tcpdump tcp -i ens33 -n命令，抓包。抓包结果如下：

 1 10:09:11.163215 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [S], seq 3124300130, win 29200, options [mss 1460,sackOK,TS val 1666537180 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
 2 10:09:11.163355 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [S.], seq 2508684482, ack 3124300131, win 28960, options [mss 1460,sackOK,TS val 2620718342 ecr 1666537180,nop,wscale 7], length 0
 3 10:09:11.163390 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 1, win 229, options [nop,nop,TS val 1666537180 ecr 2620718342], length 0
 4 10:09:11.163458 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [P.], seq 1:152, ack 1, win 229, options [nop,nop,TS val 1666537180 ecr 2620718342], length 151: HTTP: GET /file_64KB HTTP/1.1
 5 10:09:11.163569 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [.], ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718342 ecr 1666537180], length 0
 6 10:09:11.163787 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [.], seq 1:7241, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718342 ecr 1666537180], length 7240: HTTP: HTTP/1.1 200 OK
 7 10:09:11.163813 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 7241, win 342, options [nop,nop,TS val 1666537180 ecr 2620718342], length 0
 8 10:09:11.163848 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [.], seq 7241:14481, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718343 ecr 1666537180], length 7240: HTTP
 9 10:09:11.163862 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 14481, win 455, options [nop,nop,TS val 1666537180 ecr 2620718343], length 0
10 10:09:11.163969 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [.], seq 14481:24617, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718343 ecr 1666537180], length 10136: HTTP
11 10:09:11.163975 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 24617, win 613, options [nop,nop,TS val 1666537181 ecr 2620718343], length 0
12 10:09:11.164011 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [P.], seq 24617:28961, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718343 ecr 1666537180], length 4344: HTTP
13 10:09:11.164014 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 28961, win 681, options [nop,nop,TS val 1666537181 ecr 2620718343], length 0
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15 10:09:11.164043 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 37649, win 817, options [nop,nop,TS val 1666537181 ecr 2620718343], length 0
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17 10:09:11.164065 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 43441, win 907, options [nop,nop,TS val 1666537181 ecr 2620718343], length 0
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19 10:09:11.164112 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 57921, win 1134, options [nop,nop,TS val 1666537181 ecr 2620718343], length 0
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21 10:09:11.164154 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 62265, win 1201, options [nop,nop,TS val 1666537181 ecr 2620718343], length 0
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23 10:09:11.164183 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 65801, win 1236, options [nop,nop,TS val 1666537181 ecr 2620718343], length 0
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27 
28 
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30 10:09:11.168343 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37586: Flags [S.], seq 825503549, ack 2780780138, win 28960, options [mss 1460,sackOK,TS val 2620718347 ecr 1666537185,nop,wscale 7], length 0
31 10:09:11.168377 IP 192.168.131.132.37586 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 1, win 229, options [nop,nop,TS val 1666537185 ecr 2620718347], length 0
32 10:09:11.168507 IP 192.168.131.132.37586 > 192.168.131.138.80: Flags [P.], seq 1:152, ack 1, win 229, options [nop,nop,TS val 1666537185 ecr 2620718347], length 151: HTTP: GET /file_64KB HTTP/1.1
33 10:09:11.168728 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37586: Flags [.], ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718347 ecr 1666537185], length 0
34 10:09:11.168964 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37586: Flags [.], seq 1:14481, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718348 ecr 1666537185], length 14480: HTTP: HTTP/1.1 200 OK
35 10:09:11.168992 IP 192.168.131.132.37586 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 14481, win 455, options [nop,nop,TS val 1666537186 ecr 2620718348], length 0
36 10:09:11.169150 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37586: Flags [P.], seq 14481:28961, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718348 ecr 1666537186], length 14480: HTTP
37 10:09:11.169174 IP 192.168.131.132.37586 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 28961, win 681, options [nop,nop,TS val 1666537186 ecr 2620718348], length 0
38 10:09:11.169176 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37586: Flags [.], seq 28961:37649, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718348 ecr 1666537186], length 8688: HTTP
39 10:09:11.169180 IP 192.168.131.132.37586 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 37649, win 817, options [nop,nop,TS val 1666537186 ecr 2620718348], length 0
40 10:09:11.169278 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37586: Flags [P.], seq 37649:43441, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718348 ecr 1666537186], length 5792: HTTP
41 10:09:11.169294 IP 192.168.131.132.37586 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 43441, win 907, options [nop,nop,TS val 1666537186 ecr 2620718348], length 0
42 10:09:11.169308 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37586: Flags [.], seq 43441:56473, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718348 ecr 1666537186], length 13032: HTTP
43 10:09:11.169310 IP 192.168.131.132.37586 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 56473, win 1111, options [nop,nop,TS val 1666537186 ecr 2620718348], length 0
44 10:09:11.169375 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37586: Flags [P.], seq 56473:65801, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718348 ecr 1666537186], length 9328: HTTP
45 10:09:11.169414 IP 192.168.131.132.37586 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 65801, win 1257, options [nop,nop,TS val 1666537186 ecr 2620718348], length 0
46 10:09:11.169713 IP 192.168.131.132.37586 > 192.168.131.138.80: Flags [F.], seq 152, ack 65801, win 1257, options [nop,nop,TS val 1666537186 ecr 2620718348], length 0
47 10:09:11.170218 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37586: Flags [F.], seq 65801, ack 153, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718349 ecr 1666537186], length 0
48 10:09:11.170243 IP 192.168.131.132.37586 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 65802, win 1257, options [nop,nop,TS val 1666537187 ecr 2620718349], length 0

　　背景知识：关于Flags后面紧跟的中括号里面的内容所表达的意思：

S = SYN，表示发起连接标识
P = PUSH，表示传送数据标识
F = FIN，表示关闭连接标识
. + ack 表示确认包

　　上面的结果显示了两次使用http协议下载文件的过程（从每一行的最后的字段都可以看出规律）。

　　包括三个过程：TCP连接建立--HTTP协议下载文件--TCP连接关闭。下面逐一分析这三个过程：

　　把客户端192.168.131.132记为A，服务端192.168.131.138记为B，则有

　　（1）TCP三次握手连接建立过程：

1  10:09:11.163215 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [S], seq 3124300130, win 29200, options [mss 1460,sackOK,TS val 1666537180 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
2  10:09:11.163355 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [S.], seq 2508684482, ack 3124300131, win 28960, options [mss 1460,sackOK,TS val 2620718342 ecr 1666537180,nop,wscale 7], length 0
3  10:09:11.163390 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 1, win 229, options [nop,nop,TS val 1666537180 ecr 2620718342], length 0

　　第一步：A向B发送连接请求[S]，seq = 3124300130

　　第二步：B向A发送同意连接[S.]，ack = 3124300130 + 1 = 3124300131， seq = 2508684482

　　第三次：A向B发送确认连接[.]，这里是由于tcpdump采用了相对量的表示方法，ack = 1的意思是ack的值等于第二步中的 seq 值加上1，实际上是 2508684482 + 1 = 2508684483

　　（2）HTTP协议部分（先挖坑，后面学习完之后再来分析HTTP过程）

　　第一行：HTTP: GET /file_64KB HTTP/1.1

 1  4 10:09:11.163458 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [P.], seq 1:152, ack 1, win 229, options [nop,nop,TS val 1666537180 ecr 2620718342], length 151: HTTP: GET /file_64KB HTTP/1.1
 2  5 10:09:11.163569 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [.], ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718342 ecr 1666537180], length 0
 3  6 10:09:11.163787 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [.], seq 1:7241, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718342 ecr 1666537180], length 7240: HTTP: HTTP/1.1 200 OK
 4  7 10:09:11.163813 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 7241, win 342, options [nop,nop,TS val 1666537180 ecr 2620718342], length 0
 5  8 10:09:11.163848 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [.], seq 7241:14481, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718343 ecr 1666537180], length 7240: HTTP
 6  9 10:09:11.163862 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 14481, win 455, options [nop,nop,TS val 1666537180 ecr 2620718343], length 0
 7 10 10:09:11.163969 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [.], seq 14481:24617, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718343 ecr 1666537180], length 10136: HTTP
 8 11 10:09:11.163975 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 24617, win 613, options [nop,nop,TS val 1666537181 ecr 2620718343], length 0
 9 12 10:09:11.164011 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [P.], seq 24617:28961, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718343 ecr 1666537180], length 4344: HTTP
10 13 10:09:11.164014 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 28961, win 681, options [nop,nop,TS val 1666537181 ecr 2620718343], length 0
11 14 10:09:11.164038 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [.], seq 28961:37649, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718343 ecr 1666537180], length 8688: HTTP
12 15 10:09:11.164043 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 37649, win 817, options [nop,nop,TS val 1666537181 ecr 2620718343], length 0
13 16 10:09:11.164062 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [P.], seq 37649:43441, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718343 ecr 1666537181], length 5792: HTTP
14 17 10:09:11.164065 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 43441, win 907, options [nop,nop,TS val 1666537181 ecr 2620718343], length 0
15 18 10:09:11.164098 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [.], seq 43441:57921, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718343 ecr 1666537181], length 14480: HTTP
16 19 10:09:11.164112 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 57921, win 1134, options [nop,nop,TS val 1666537181 ecr 2620718343], length 0
17 20 10:09:11.164149 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [.], seq 57921:62265, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718343 ecr 1666537181], length 4344: HTTP
18 21 10:09:11.164154 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 62265, win 1201, options [nop,nop,TS val 1666537181 ecr 2620718343], length 0
19 22 10:09:11.164180 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [P.], seq 62265:65801, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718343 ecr 1666537181], length 3536: HTTP

　　（3）TCP连接释放过程

1 22 10:09:11.164180 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [P.], seq 62265:65801, ack 152, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718343 ecr 1666537181], length 3536: HTTP
2 23 10:09:11.164183 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 65801, win 1236, options [nop,nop,TS val 1666537181 ecr 2620718343], length 0


3 24 10:09:11.164485 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [F.], seq 152, ack 65801, win 1257, options [nop,nop,TS val 1666537181 ecr 2620718343], length 0
4 25 10:09:11.164863 IP 192.168.131.138.80 > 192.168.131.132.37584: Flags [F.], seq 65801, ack 153, win 235, options [nop,nop,TS val 2620718343 ecr 1666537181], length 0
5 26 10:09:11.164882 IP 192.168.131.132.37584 > 192.168.131.138.80: Flags [.], ack 65802, win 1257, options [nop,nop,TS val 1666537181 ecr 2620718343], length 0

　　第一步：A → B ：seq = u = 152，

　　第二步：B → A ：seq = w = 65801，ack = u + 1 = 153。

　　第三步：A → B ：ack = w + 1 = 65802

　　只有三步的原因是：在TCP释放连接过程的第一个过程之后，由于第二个过程和第三个过程之间，B没有数据发送给A，因此这里将两个过程一起发送给A。

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计算机网络（1）- TCP

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